真空羽流氣動力測量系統及測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種真空羽流氣動力測量系統及測量方法。真空羽流氣動力測量系統包括真空艙、發動機、測力模型、羽流保護罩、位移機構、安裝基座以及六分量天平測力系統。本發明使用小量程六分量天平作為測力元件進行真空羽流氣動力的直接測量，測量結果更加準確；本發明針對發動機真空羽流高溫高速的特點，使用硬鋁作為材料設計測力模型和羽流保護罩，避免測力模型和六分量天平受到破壞；本發明使用位移機構帶動六分量天平和測力模型掃描羽流場，可以在一次關艙實驗進行多個工況、多個位置的氣動力測量。真空羽流氣動力測量方法的步驟為：校準六分量天平；計算六分量天平工作公式；安裝實驗設備；開展實驗；數據處理。
【專利說明】真空羽流氣動力測量系統及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氣動力測量系統及測量方法，特別涉及在真空條件下測量真空羽流氣動力的測量系統及測量方法。
【背景技術】
[0002]衛星、飛船和空間站等航天器上大量使用姿軌控發動機，這些發動機在高真空環境下工作時，其噴流會向外部環境自由膨脹形成真空羽流。許多情況下，真空羽流會撞擊航天器表面，產生附加的擾動力和擾動力矩，給航天器的正常運行帶來不利影響，這種擾動力和擾動力矩統稱為真空羽流氣動力。真空羽流氣動力帶來的不利影響通常需要其它的發動機做功來修正，而航天器所能攜帶的推進劑是有限的，因此真空羽流氣動力會額外增加推進劑的消耗，降低航天器的壽命，嚴重時甚至導致航天器的失效。
[0003]真空羽流氣動力的測量方法包括空間搭載測量和地面模擬測量。空間搭載測量是在航天器的實際運行中通過測量軌道偏移或軌道修正等方式計算得到真空羽流氣動力，獲得的數據真實可靠，但測量成本高、周期長、次數少，且測量數據有限。地面模擬測量是通過建設地面設備模擬真空條件下的冷黑環境，在地面模擬設備中使用真實發動機或模擬發動機進行點火實驗，模擬發動機的真實工況，測量發動機的真空羽流氣動力。雖然地面模擬測量的環境與空間搭載測量有一定偏差，但測量成本低，可根據需要進行不同工況和不同狀態的測量，更適合進行工程分析和科學研究。
[0004]傳統的氣動力測量方法是在測力模型表面鉆取很多測壓孔，通過測壓管連接壓強傳感器，獲得測壓孔的壓強數據，再積分得到整個測力模型所受的氣動力。由于測壓孔是離散的，因此獲得的壓強數據也是離散的，無法得到孔間隔處準確的壓強信息，導致積分得到的氣動力產生不可避免的誤差；若鉆取大量的測壓孔，則需要大量的管路、傳感器、線纜等，時間和經濟成本高昂。
[0005]由于地面模擬設備建設投資大，國內對于真空羽流氣動力的研究大多是在理論分析和數值仿真層面，進行的有限的實驗研究也因為地面模擬設備真空能力的不足而無法更加真實地獲得真空羽流氣動力的數據。2007年國防科工局立項、北京航空航天大學投建的真空羽流效應實驗系統，是國內首座專門用于羽流效應實驗研究的大型地面模擬系統。目前，國內尚無專門針對大型真空羽流效應實驗系統的氣動力測量系統。
【發明內容】
[0006]本發明是為大型真空羽流效應實驗系統提供一種真空羽流氣動力測量系統及測量方法，能夠直接、準確測量小推力發動機的真空羽流對測力模型產生的真空羽流氣動力。
[0007]真空羽流氣動力測量系統包括真空艙、發動機、測力模型、羽流保護罩、位移機構、安裝基座以及六分量天平測力系統。
[0008]所述的六分量天平測力系統包括六分量天平、艙內供電線纜、供電線纜穿艙法蘭、艙外供電線纜、直流穩壓電源、艙內信號線纜、信號轉換模塊、信號線纜穿艙法蘭、艙外信號線纜以及數據采集系統。
[0009]所述的發動機和位移機構均安裝固定于真空艙中，安裝基座固定于位移機構上，六分量天平尾部固定于安裝基座，頭部安裝羽流保護罩，羽流保護罩上固定測力模型；六分量天平通過艙內供電線纜連接供電線纜穿艙法蘭上的航空插座，再經艙外供電線纜連接至置于真空艙外的直流穩壓電源，由直流穩壓電源供電；六分量天平的信號輸出先經艙內信號線纜連接至信號轉換模塊，將電壓信號轉換為電流信號，信號轉換模塊通過艙內信號線纜連接至信號線纜穿艙法蘭，再經艙外信號線纜連接至置于真空艙外的數據采集系統，進行測力信號的采集與保存。
[0010]所述的六分量天平量程為:軸向力5N，側向力5N，法向力5N，滾動力矩2N.m，俯仰力矩5Ν.m，擺動力矩10Ν.m，此量程適合于真空羽流實驗所用的小發動機的真空羽流氣動力測量。
[0011]所述的測力模型選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導熱性好，通過合理的結構設計控制其質量小于150g，避免對六分量天平產生過大的預載荷，并能有效地降低測力模型被高溫高速羽流破壞的可能。
[0012]所述的羽流保護罩為一端開放的圓筒式結構，選用硬鋁為材料，將六分量天平固定于圓筒的空腔，避免受到高溫高速羽流的破壞，同時，羽流保護罩還作為六分量天平和測力模型的連接件。
[0013]真空羽流氣動力測量方法，包括以下幾個步驟:
[0014](I)校準六分量天平；
[0015](2)計算六分量天平工作公式；
[0016](3)安裝實驗設備；
[0017](4)開展實驗；
[0018](5)數據處理。
[0019]本發明的優點在于:
[0020](I)使用小量程六分量天平作為測力元件進行真空羽流氣動力的直接測量，避免通過壓強積分方法造成的誤差，并能更加準確地測量真空羽流實驗所用的小推力發動機產生的真空羽流氣動力；
[0021](2)針對發動機羽流高溫高速的特點，設計羽流保護罩保護六分量天平，避免羽流對六分量天平造成損害；
[0022](3)針對大型真空羽流效應實驗系統信號線纜較長的情況，將信號轉換模塊置于真空艙內距離六分量天平較近的位置，通過信號轉換模塊將六分量天平輸出的電壓信號轉換為電流信號，避免測力信號在傳輸過程中衰減；
[0023](4)使用位移機構帶動六分量天平和測力模型掃描羽流流場，可以在一次關艙實驗進行多個工況、多個位置的氣動力測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1:本發明中真空羽流氣動力測量系統連接關系示意圖。
[0025]圖中:
[0026]1-真空艙2-發動機3-測力模型[0027]4-羽流保護罩5-位移機構501安裝基座
[0028]600-六分量天平測力系統 601-六分量天平602-艙內供電線纜
[0029]603-供電線纜穿艙法蘭604-艙外供電線纜605-直流穩壓電源
[0030]606-艙內信號線纜607-信號轉換模塊608-艙內信號線纜
[0031]609-信號線纜穿艙法蘭610-艙外信號線纜611-數據采集系統
【具體實施方式】
[0032]下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0033]本發明是一種真空羽流氣動力測量系統及測量方法。
[0034]本發明的真空羽流氣動力測量系統如圖1所示，包括真空艙1、發動機2、測力模型
3、羽流保護罩4、位移機構5、安裝基座501以及六分量天平測力系統600。
[0035]所述的六分量天平測力系統600包括六分量天平601、艙內供電線纜602、供電線纜穿艙法蘭603、艙外供電線纜604、直流穩壓電源605、艙內信號線纜606、信號轉換模塊607、艙內信號線纜60 8、信號線纜穿艙法蘭609、艙外信號線纜610以及數據采集系統611。
[0036]所述的發動機2和位移機構5均安裝固定于真空艙I中，安裝基座501固定于位移機構5上，六分量天平601尾部固定于安裝基座501，頭部安裝羽流保護罩4，羽流保護罩4上固定測力模型3 ;六分量天平601通過艙內供電線纜602連接供電線纜穿艙法蘭603上的航空插座，再經艙外供電線纜604連接至置于真空艙I外的直流穩壓電源605，由直流穩壓電源供電；六分量天平601的信號輸出先經艙內信號線纜606連接至信號轉換模塊607，將電壓信號轉換為電流信號，信號轉換模塊607通過艙內信號線纜608連接至信號線纜穿艙法蘭609，再經艙外信號線纜610連接至置于真空艙外的數據采集系統611，進行測力信號的采集與保存。
[0037]所述的六分量天平601量程為:軸向力5N，側向力5N，法向力5N，滾動力矩2N *m,俯仰力矩5N.πι，擺動力矩ΙΟΝ.πι，此量程適合于真空羽流實驗所用的小發動機的真空羽流氣動力測量。
[0038]所述的測力模型3選用硬鋁為材料，硬鋁的密度低、導熱性好，通過合理的結構設計控制其質量小于150g，避免對六分量天平601產生過大的預載荷，并能有效地降低測力模型3被高溫高速羽流破壞的可能。
[0039]所述的羽流保護罩4為一端開放的圓筒式結構，選用硬鋁為材料，將六分量天平601固定于圓筒的空腔，避免受到高溫高速羽流的破壞，同時，羽流保護罩4還作為六分量天平601和測力模型3的連接件。
[0040]本發明的真空羽流氣動力測量方法，具體包括以下幾個步驟:
[0041](I)校準六分量天平:先進行單分量加載，將天平各分量的校準載荷分成7個以上等間距加載點，進行等階梯加載與卸載，各重復3次；再進行二分量組合加載，將天平一個分量加載到它的設計量程的70%，再將天平另一個分量的校準載荷分成7個以上等間距加載點，進行等階梯加載與卸載，各重復3次；
[0042](2)計算六分量天平工作公式:對校準數據進行處理，利用最小二乘法，得到六分量天平的工作公式；
[0043](3)安裝實驗設備:將各實驗設備按照圖1所示的連接關系進行安裝和連接，校準并測量發動機和測力模型的空間相對位置；
[0044](4)開展實驗:待真空艙I達到實驗所需真空度時，進行發動機2的點火實驗，通過改變發動機2的工質供應參數，或操作位移機構5改變測力模型3的空間位置，采集不同工況、不同位置時六分量天平的輸出數據；
[0045](5)數據處理:利用六分量天平的工作公式對輸出數據進行處理，得到測力模型3所受的氣動力。
【權利要求】
1.真空羽流氣動力測量系統，包括真空艙1、發動機2、測力模型3、羽流保護罩4、位移機構5、安裝基座501以及六分量天平測力系統600 ； 所述的六分量天平測力系統600包括六分量天平601、艙內供電線纜602、供電線纜穿艙法蘭603、艙外供電線纜604、直流穩壓電源605、艙內信號線纜606、信號轉換模塊607、艙內信號線纜608、信號線纜穿艙法蘭609、艙外信號線纜610以及數據采集系統611 ； 所述的發動機2和位移機構5均安裝固定于真空艙I中，安裝基座501固定于位移機構5上，六分量天平601尾部固定于安裝基座501，頭部安裝羽流保護罩4，羽流保護罩4上固定測力模型3 ;六分量天平601通過艙內供電線纜602連接供電線纜穿艙法蘭603上的航空插座，再經艙外供電線纜604連接至置于真空艙I外的直流穩壓電源605，由直流穩壓電源供電；六分量天平601的信號輸出先經艙內信號線纜606連接至信號轉換模塊607，將電壓信號轉換為電流信號，信號轉換模塊607通過艙內信號線纜608連接至信號線纜穿艙法蘭609，再經艙外信號線纜610連接至置于真空艙外的數據采集系統611，進行測力信號的采集與保存。
2.如權利要求1所述的六分量天平601量程為:軸向力5N，側向力5N，法向力5N，滾動力矩2N.m,俯仰力矩5N.m,擺動力矩ION.m ;如權利要求1所述的測力模型3選用硬鋁為材料，通過合理的結構設計控制其質量小于150g ;如權利要求1所述的羽流保護罩4為一端開放的圓筒式結構，選用硬鋁為材料，將六分量天平601固定于圓筒的空腔，同時羽流保護罩4還作為六分量天平601和測力模型3的連接件。
3.真空羽流氣動力測量方法，包括以下幾個步驟: (1)校準六分量天平； (2)計算六分量天平工作公式； (3)安裝實驗設備； (4)開展實驗； (5)數據處理。
【文檔編號】G01M9/00GK103616154SQ201310627429
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優先權日:2013年11月29日
【發明者】翁惠焱, 吳靖, 凌桂龍, 蔡國飆, 王文龍 申請人:北京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
